Фізики створили «панду» для розрахунку кутів змочування в чисельному експерименті.

Результати опубліковані в журналі Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects.

Краєві кути зволоження характеризують взаємодію між молекулами твердих поверхонь і рідин. Знання кута контакту між матеріалами дозволить прогнозувати їхню поведінку, визначати чистоту поверхні, а також допомагає у створенні гідрофобних та гідрофільних покриттів. Теоретичні та чисельні методи розрахунку кута контакту потребують введення великої кількості параметрів і залежать від визначення положення поверхні розділу фаз. Це є проблемою, оскільки поняття «поверхня розділу» умовне, і критерії її знаходження численні.

«Ми звільнили дослідників у галузі молекулярного моделювання від необхідності шукати положення поверхні розділу — це дозволило зменшити кількість налаштовуваних гіперпараметрів до двох замість 8–10, що використовувалися в аналогічних методах. Не потрібно більше підганяти метод розрахунку кутів під кожну пару рідина—тверде, PANDA універсальний у цьому відношенні. І, звичайно, більше не потрібно прикладати до знімка системи транспортир», — розповів Ілля Копаничук, старший науковий співробітник Центру обчислювальної фізики МФТІ.

Метод базується на аналітичних виразах, що описують форми поверхні одномірних профілів густини для різних типів поверхонь, які утворюються між несумісними рідинами, наприклад, між нафтою і водою. Профіль густини показує, як молекули розподіляються в просторі щілини. У роботі розглянуті всі можливі форми поверхні розділу між двома рідинами в плоскій щілині.

Метод PANDA розраховує кут зволоження за допомогою одномірного профілю густини. Вирази для аналітичного профілю густини задаються трьома параметрами: об'ємною часткою незволожуючої рідини, розміром осередку та величиною кута контакту. Якщо зафіксувати перші два, що досить легко при старті розрахунку, то значення кута можна отримати за допомогою процедури оптимізації відхилення аналітичного профілю густини від профілю, отриманого в чисельному експерименті.

Науковці протестували алгоритм на прикладі синтетичних даних та даних молекулярно-динамічних розрахунків. PANDA продемонстрував високу точність з помилкою менше одного відсотка для більшості контактних кутів на синтетичних даних. На даних молекулярно-динамічних розрахунків алгоритм показав краще узгодження з реальними експериментами, ніж самі експерименти між собою.

PANDA спрощує аналіз густини в наномасштабі, усуваючи необхідність пошуку поверхні розділу. Він скорочує кількість налаштовуваних параметрів до двох, що робить його універсальним і простим у використанні. Це призводить до того, що алгоритм застосовний для будь-якої системи без попередньої настройки параметрів під конкретний склад.

Одним з обмежень PANDA є необхідність візуалізації форми краплі за розробленою номенклатурою (пончик, крапля тощо). Науковці планують зняти це обмеження за допомогою навчання нейромережі PointNet. Завдяки цьому розрахунок кута контакту зволоження методом молекулярної динаміки стане повністю автоматичним.

Метод PANDA ще потребує доопрацювання для використання в справжньому фізичному експерименті. Одна з поставлених задач — розробити універсальний метод оцінки краєвих кутів за інтерференційною картиною від крапель рідини. Рішення цієї задачі вимагає тісного співробітництва з фізиками-експериментаторами.

Метод PANDA вже використовується в нафтовій промисловості для оптимізації видобутку вуглеводнів і створення нових технологій. В перспективі PANDA може застосовуватися і в інших сферах, включаючи матеріалознавство та технологію покриттів.

У роботі брали участь науковці з Центру обчислювальної фізики МФТІ, ОІВТ РАН, ВШЕ та AIRI.